自然语言处理——语言模型

n元文法

大规模语料库的出现为自然语言统计处理方法的实现提供了可能，统计方法的成功应用推动了语料库语言学的发展。
语句$s=w_1{w}_2\dots w_m$的先验概率

• $p(s)=p(w_1)\times p(w_2|w_1)$
• $p(s)=p(w_1)\times p(w_2|w_1)\times p(w_3|w_1{w}_2)$
• $p(s)=p\left(w_1\right)\times p\left(w_2\mid w_1\right)\times p\left(w_3\mid w_1{w}_2\right)\times \cdots \times p\left(w_m\mid w_1\dots w_{m-1}\right)$

$w_i$ 可以是字、词、短语或词类等，统称为统计基元。通常以“词”(token)代之；$w_i$ 的概率取决于$w_1$,…,$w_{i-1}$，条件序列$w_1$,…,$w_{i-1}$ 称为$w_i$ 的历史。

随着历史基元数量的增加，不同的“历史”组合构成的路径数量指数级增长。对于第𝑖(𝑖 > 1)个统计基元，历史基元的个数为𝑖−1，如果共有𝐿个不同的基元，如词汇表，理论上每一个单词都有可能出现在1到𝑖 −1的每一个位置上，那么,𝑖基元就有$L^{i-1}$ 种不同的历史组合。我们必须考虑在所有𝐿𝑖−1种不同的历史条件下产生第𝑖个基元的概率。那么，对于长度为𝑚的句子，模型中有$L^m$个自由参数$p\left(w_m\mid w_1\dots w_{m-1}\right)$,如果L=6763,m=3,自由参数的数目为$3.09\times 10^{11}$，这是一个很大的问题。

解决方案：设法减少历史基元的个数，将$w_1,w_2,\dots ,w_{i-1}$映射到等价类S($w_1,w_2,\dots ,w_{i-1)}$，使等价类的数目远远小于原来不同历史基元的数目。

那么如何划分等价类呢？将两个历史映射到同一个等价类，当且仅当这两个历史中的最近𝑛−1个基元相同，即：

这种计算语言（通常指句子）概率的模型称为语言模型(language model)。由于通常只考虑历史基元与当前词构成𝑛元词序列（即只考虑前𝑛−1个词的历史情况），因此这种模型又称为n
元文法模型(n-gram model)。𝑛为整数，通常𝑛=1~5。

• 当𝑛=1时，出现在第𝑖位置上的基元𝑤𝑖独立于历史，称为一元文法，记作uni-gram或monogram；
• 当𝑛=2时，出现在第𝑖位置上的基元𝑤i只与𝑖−1位置上的基元相关，称为2元文法(2-gram或bi-gram)。2元文法序列又被称为1阶马尔可夫链,2元文法很常见；
• 当𝑛=3时，出现在第𝑖位置上的基元𝑤i与𝑖−2和𝑖−1位置上的基元相关，称为三元文法(3-gram或tri-gram)。三元文法序列又被称为2阶马尔可夫链。

为了保证条件概率在𝑖 = 1时有意义，同时保证句子内所有字符串的概率为1，即${\sum }_{s}p(s)=1$,可以在句子首尾两端增加两个标志:$<BOS>w_1{w}_2\cdots w_m<EOS>$。

参数估计

收集、标注大规模样本，我们称其为训练数据/语料，利用最大似然估计(maximum likelihood evaluation, MLE) 方法计算概率。

$$p\left(w_i\mid w_{i-n+1}^{i-1}\right)=f\left(w_i\mid w_{i-n+1}^{i-1}\right)=\frac{c\left(w_{i-n+1}^i\right)}{{\sum }_{w_i}c\left(w_{i-n+1}^i\right)}$$

举个简单的例子：

数据平滑方法

定义：调整最大似然估计的概率值，使零概率增值，使非零概率下调，“劫富济贫”，消除零概率，改进模型的整体正确率。

目标是为了让测试样本的语言模型困惑度越小越好。

平滑的n-gram概率为$p\left(w_i\mid w_{i-n+1}^{i-1}\right)$，句子𝑠的概率为：$$p(s)=\prod _{i=1}^{m+1}p\left(w_i\mid w_{i-n+1}^{i-1}\right)$$

假定测试语料𝑇由$l_T$个句子构成:($s_1,s_2...s_{l_T}$)，共含有$w_T$个词，那么整个测试集的概率为：$p(T)={\prod }_{i=1}^{l_T}p\left(s_i\right)$

困惑度可以定义为：$P{P}_P(T)=2^{-\frac{1}{w_T}{\log }_{2}p(T)}$ ,不难看出，P(T)越接近0，困惑度会特别大。n-gram对于英语文本的困惑度范围一般为10~1000，语言模型设计的任务就是寻找困惑度最小的模型，使其最接近真实的语言。

加1法

基本思想: 每一种情况出现的次数加1。

例如，对于 uni-gram，设$w_1,w_2,w_3$三个词，$w_1$出现1次，$w_2$出现0次，$w_3$出现两次，概率分别为：1/3,0,2/3，加1后情况就变为: 2/6,1/6,3/6

对于二元文法有：

$$\begin{array}{rl}p\left(w_i\mid w_{i-1}\right)& =\frac{1+c\left(w_{i-1}{w}_i\right)}{{\sum }_{w_i}\left[1+c\left(w_{i-1}{w}_i\right)\right]}\\ & =\frac{1+c\left(w_{i-1}{w}_i\right)}{|V|+{\sum }_{w_i}c\left(w_{i-1}{w}_i\right)}\end{array}$$

在前面的例题中，原来的概率存在0值：

同样我们还可以求到句子“John read a book”的概率，计算过程如下所示：

神经网络模型

提出原因

首先我们来回顾一下上文提出的n-gram，假设现在有一个句子“这本小说很枯燥，读起来很乏味。”主要会存在以下两个问题：

我们来分析一下原因：在n元文法中，“词”以词形本身表示，是离散的符号，这等价于one-hot 向量，这会导致任意两个词之间的相似度都为0。维度太高！

我们需要连续空间的分布式表示赋予词向量！

前馈神经网络（FNN）

FNN是最早发明的简单人工神经网络，也经常被称为多层感知(Multi-Layer Perceptron, MLP)。前馈网络中各个神经元按接收信息的先后分为不同的组，每一组可以看作一个神经层，每一层中的神经元接收前一层神经元的输出，并输出到下一层神经元，整个网络中的信息是朝一个方向传播，没有反向的信息传播，可以看作是一个有向的无环图。
网络表示：𝐿为神经网络的层数；𝑀𝑙为第𝑙层的神经元个数；𝑓𝑙(∙)为第𝑙层神经元的激活函数；
参数学习：确定网络中所有的𝑾和b

基于反向传播(Back Propagation)算法的随机梯度下降参数训练过程：

关于词向量的表示，也就是图中的$L_T$,通常先随机初始化，然后通过目标函数优化词的向量表示(如最大化语言模型似然度)。

V表示训练集中的词个数，如果训练集很庞大，可以考虑取前V个频率最高的词。
D则表示词向量的维度，一般来说词向量维度越大，模型效果会更好，当然训练难度也会加大。

• Softmax 回归(regression) 也称为多项(Multinomial) 或多类(MultiClass) 的Logistic回归，是Logistic回归在多分类问题上的推广，它也可以看作是一种条件最大熵模型。
• 对于多类问题，类别标签$𝑦∈ 1,2, ⋯,𝐶 $可以有𝐶个取值，给定一个样本𝒙, Softmax回归预测的属于类别𝑐的条件概率为:
  $$\begin{array}{rl}p(y=c\mid \mathbf{x})& =\mathrm{Softmax}\left({\mathbf{w}}_c^T\mathbf{x}\right)\\ & =\frac{\exp \left({\mathbf{w}}_c^T\mathbf{x}\right)}{{\sum }_{c^{\prime }=1}^C\exp \left({\mathbf{w}}_{c^{\prime }}^T\mathbf{x}\right)}\end{array}$$
  其中，${\mathbf{w}}_c$是第𝑐类的权重向量

举个例子来看，我们给出$L_T$和输入词串：

暂时不考虑偏置b，分三步进行计算。

再得到最后的结果向量(0.38,0.44${)}^T$后经过tanh激活函数：

最后我们得到的向量和原来的$L_T$进行处理，再送入softmax找到概率最大的一项，如此就可以找到出现概率最大的词了。

问题：

• 仅对小窗口的历史信息进行建模
• n-gram语言模型仅考虑前面𝑛−1个词的历史信息

我们需要一种对所有的历史信息进行建模的方法！

循环神经网络

输入:从开始到𝑡−1时刻的历史${\mathbf{h}}_{t-1}$;当前位置𝑡的词向量${\mathbf{w}}_t$
输出:到𝑡位置时的历史积累${\mathbf{h}}_t$及其该位置上词的概率
模型训练时需要保证当前词的概率最大

举个例子：以“这本书很好看”为例

问题：梯度消失或爆炸：参数W经过多次传递后有可能导致梯度消失(小于1)或者爆炸(大于1)。